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使熱氣隱形的藝術

國科會 國際合作簡訊網
・2012/06/25 ・1201字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

一個研究團隊選擇在這個酷寒的天氣裡介紹一個提防 …… 熱氣的新概念。將菲涅爾研究所(Institut Fresnel,由法國國家科學研究中心 [CNRS] 和埃克斯—馬賽大學 [université Aix-Marseille] 共同組成)與巴黎中央理工學院(École centrale de Paris)設計的保護塗層塗在手上,這隻手接近暖氣時就感覺不到的熱流—學術用詞是「溫度梯度」。這是防止微型電子元件因過熱而造成性能損失,或者讓熱量更能集中在太陽能設備以提高性能的必要物件。

保護塗層可用於保護電子元件。圖片來源:physicsworld.com

當然,這個概念目前只是一個理論,但是首次實驗應該很快就會進行。其構想是操縱等溫線,這些隱形線上的溫度是相同的,可以設置障礙物隔開以保護之,或者將這些線集中在某些點上,以便集中熱量。在第一種情況下,熱氣會繞過受保護的對象,不會穿透之,接著再重組成無障礙時的樣子。第二種狀況就像把熱量夾到一個特定的區域內。關鍵在於找到合適的材料塗層和適當的安置方式,以便「雕塑」這些等溫線。

這項實驗刊登在《光學快遞》雜誌(Optics Express)上,靈感來自研究員於 2006 年提出的「隱形斗篷」概念。這些尚未充分開發的設備可以讓巧妙覆以材料的物件從視線中消失。

銅、矽、聚合物

法國團隊採用相同的數學技術來改變物體周圍的幾何,以免破壞現象的傳播。但是熱方程式是一種電磁波,不像光或聲音方程式一樣可以寫下來,因此必須驗證想像中的轉變確實具有物理上的意義,還必須驗證熱量會在數位模擬中持續且正確傳遞。菲涅爾研究所的 Sébastien Guenneau 解釋:「我們已經發現數種寫入熱方程式的方法,一旦選對了,就能運作」。公式要詳盡描述如何安排具有一層或多層保護層的金屬或絕緣體來引導熱量。

因此,要讓半徑 150 微米的汽缸對熱流不敏感,需要塗上 20 層總厚度為 150 微米的不同材料。Sébastien Guenneau 重申:「就光學角度而言,也需要具對比電磁性能的不同材料,但是選擇性還是遠比熱量小,所以應該更容易製造設備來測試我們的想法。」

里耳微電子暨奈米科技研究所(IEMN)的研究團隊已經開始執行初步工作。Nathalie Rolland 宣稱:「我們對此充滿熱情。這個概念是原創且具有前景的」。她所屬的實驗室專門從事微米加工,已經開始切割銅、矽及聚合物,以便建立隔熱板和集中器的初步原型。Sébastien Guenneau 表示:「要強調的是,受保護的物體會加熱一下,但是溫度會保持恆定,而且永遠比源頭溫度還要低一半。」

這名研究員早就在研究不同波長的隱形性,他也是偶然產生了這個想法。他回憶道:「在面對歐盟評委員時,一位專家問我地震波的研究是否也能應用於其他現象,例如熱擴散現象」。因為沒有答案,他便開始進行研究,而那位富有想像力的對話者 Claude Amra 便成為其合作者之一。

作者:駐法國代表處科技組
資料來源:L’art de rendre invisible la chaleur—法國《世界報》(Le Monde) [2012-03-02]

*編註:法文報導原文連結已失效,有興趣的讀者可參考 physicsworld.com 的這篇英文報導

轉載自國科會國際合作簡訊網 [2012-04-10]

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國科會 國際合作簡訊網
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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

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科技魅癮_96
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